TW201533564A - 電腦系統中基於功率比値的風扇控制系統與方法 - Google Patents

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李振瑋
莫國笙
蔡淑貞
潘明輝
張智堡
張仕忱
馬可士Ａ 凱利
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Abstract

揭露一種用於一電腦系統中的風扇控制系統。該電腦系統包含一風扇與一目標裝置。該風扇系統包含控制器，用以控制該風扇的轉速，其中該控制器更根據該目標裝置之運作參數，決定出該風扇轉速的時變率。特別地，該控制器係根據該目標裝置之消耗功率與表定功率之比值，決定出該風扇轉速的時變率。選擇性地，該控制器亦可係根據該目標裝置之消耗功率與表定功率之比值，決定出該風扇的轉速。

Description

電腦系統中基於功率比值的風扇控制系統與方法
本發明係關於一種用於電腦系統中的風扇控制系統與方法，特別是關於風扇轉速或轉速時變率的控制。
一般電腦系統，例如個人電腦或是高階伺服器，為了散熱，會在系統內部加裝冷卻風扇。尤其是現今的中央處理器(CPU)或儲存裝置(例如記憶體或是硬碟)，因為處理速度增加，也相應地會產生高溫，而更需要利用冷卻風扇來增加散熱的效果，避免溫度過高，造成系統損壞。
習知技術大多利用熱二極體(thermal diode)或是數位熱感測器(DTS、Digital thermal Sensor)、或是Intel公司的PECI(Platform Environment Control Interface)介面來監控裝置(例如CPU)的溫度，進一步控制冷卻風扇，當裝置的溫度愈高，則控制風扇提高更多的氣流。例如ASUS公司的Q-Fan Technology，或是Intel公司的Precision Cooling Technology以及Quiet System Technology(QST)。PECI係利用內建在晶片上之數位熱感測器(on-die DTS)，以提供關於處理器溫度之數位資訊。QST根據中央處理器輸出之PECI讀數作為回授，以控制風扇使感測器溫度接近一Tcontrol值。
另外美國專利US7425812亦提出一些習知的風扇控制方法，特別是關於風扇轉速的時變率的控制。
本發明一方面在於提出一種新的風扇控制系統與方法，以及具有風扇控制系統的電腦系統。本發明特別著眼於風扇轉速的時變率(又稱轉速斜率(slope))的控制，也就是關注風扇從一個轉速到下一個轉速所經歷的時間，即例如從3000 rpm加速到4000 rpm所花費的時間。現有技術中，對於風扇的控制鮮少考慮到轉速的時變率，充其量僅從減少風扇噪音的角度來決定風扇轉速的時變率(例如前述的美國專利US7425812)。
本發明進一步體認到，風扇轉速的時變率的控制若不當，例如加速過快或減速過慢，會導致風扇耗能的浪費，並且也不必要地增加了使用者不欲之風扇噪音。有鑑於此，本發明考量到目標裝置的運作情況(例如溫度、消耗功率、消耗功率與表定功率的差值、消耗功率與表定功率的比值等等)，進而決定適當的風扇轉速的時變率，而避免上述現有技術中的缺點。
根據本發明一實施例，一電腦系統中的風扇控制系統。該電腦系統包含一風扇與一目標裝置。該風扇系統包含控制器，用以控制該風扇的轉速，其中該控制器更根據該目標裝置之運作參數，決定出該風扇轉速的時變率。特別地，該控制器係根據該目標裝置之消耗功率與表定功率之比值，決定出該風扇轉速的時變率。
根據本發明另一實施例，一種控制風扇的方法，應用於上述的風扇控制系統，該方法包含以下步驟：●該控制器以一第一轉速時變率控制該風扇的轉速；以及●因應該目標裝置之該運作參數之一改變，該控制器改以一第二轉速時變率控制該風扇的轉速。
本發明另一方面在於提出一種新的目標裝置之運作參數，即消耗功率與表定功率之比值，並可提供給設定風扇轉速時的參考。根據本 發明一實施例，一電腦系統中的風扇控制系統。該電腦系統包含一風扇與一目標裝置。該風扇系統包含控制器，該控制器係根據該目標裝置之消耗功率與表定功率之比值，決定出該風扇的轉速。
本說明書中所提及的特色、優點、或類似表達方式並不表示，可以本發明實現的所有特色及優點應在本發明之任何單一的具體實施例內。而是應明白，有關特色及優點的表達方式是指結合具體實施例所述的特定特色、優點、或特性係包含在本發明的至少一具體實施例內。因此，本說明書中對於特色及優點、及類似表達方式的論述與相同具體實施例有關，但亦非必要。
參考以下說明及隨附申請專利範圍或利用如下文所提之本發明的實施方式，即可更加明瞭本發明的這些特色及優點。
100‧‧‧電腦系統
102‧‧‧電源供應器
104‧‧‧中央處理器
106‧‧‧記憶體
108‧‧‧硬碟
110‧‧‧風扇
112‧‧‧功率感測器
114‧‧‧環境溫度感測器
116‧‧‧控制器
為了立即瞭解本發明的優點，請參考如附圖所示的特定具體實施例，詳細說明上文簡短敘述的本發明。在瞭解這些圖示僅描繪本發明的典型具體實施例並因此不將其視為限制本發明範疇的情況下，參考附圖以額外的明確性及細節來說明本發明，圖式中：圖1一種依據本發明一具體實施例之電腦系統；圖2為一種依據本發明一具體實施例之方法流程圖，以及圖3為一種依據本發明另一具體實施例之方法流程圖。
本說明書中「一具體實施例」或類似表達方式的引用是指結合該具體實施例所述的特定特色、結構、或特性係包括在本發明的至少一具體實施例中。因此，在本說明書中，「在一具體實施例中」及類似表達方式之用語的出現未必指相同的具體實施例。
熟此技藝者當知，本發明可實施為電腦系統/裝置、方法或作為電腦程式產品之電腦可讀媒體。因此，本發明可以實施為各種形式，例如完全的硬體實施例、完全的軟體實施例(包含韌體、常駐軟體、微程式碼等)，或者亦可實施為軟體與硬體的實施形式，在以下會被稱為「電路」、「模組」或「系統」。此外，本發明亦可以任何有形的媒體形式實施為電腦程式產品，其具有電腦可使用程式碼儲存於其上。
一個或更多個電腦可使用或可讀取媒體的組合都可以利用。舉例來說，電腦可使用或可讀取媒體可以是(但並不限於)電子的、磁的、光學的、電磁的、紅外線的或半導體的系統、裝置、設備或傳播媒體。更具體的電腦可讀取媒體實施例可以包括下列所示(非限定的例示)：由一個或多個連接線所組成的電氣連接、可攜式的電腦磁片、硬碟機、隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、可抹除程式化唯讀記憶體(EPROM或快閃記憶體)、光纖、可攜式光碟片(CD-ROM)、光學儲存裝置、傳輸媒體(例如網際網路(Internet)或內部網路(intranet)之基礎連接)、或磁儲存裝置。需注意的是，電腦可使用或可讀取媒體更可以為紙張或任何可用於將程式列印於其上而使得該程式可以再度被電子化之適當媒體，例如藉由光學掃描該紙張或其他媒體，然後再編譯、解譯或其他合適的必要處理方式，然後可再度被儲存於電腦記憶體中。在本文中，電腦可使用或可讀取媒體可以是任何用於保持、儲存、傳送、傳播或傳輸程式碼的媒體，以供與其相連接的指令執行系統、裝置或設備來處理。電腦可使用媒體可包括其中儲存有電腦可使用程式碼的傳播資料訊號，不論是以基頻(baseband)或是部分載波的型態。電腦可使用程式碼之傳輸可以使用任何適體的媒體，包括(但並不限於)無線、有線、光纖纜線、射頻(RF)等。
用於執行本發明操作的電腦程式碼可以使用一種或多種程式語言的組合來撰寫，包括物件導向程式語言(例如Java、Smalltalk、C++或其他類似者)以及傳統程序程式語言(例如C程式語言或其他類似的程 式語言)。
於以下本發明的相關敘述會參照依據本發明具體實施例之系統、裝置、方法及電腦程式產品之流程圖及/或方塊圖來進行說明。當可理解每一個流程圖及/或方塊圖中的每一個方塊，以及流程圖及/或方塊圖中方塊的任何組合，可以使用電腦程式指令來實施。這些電腦程式指令可供通用型電腦或特殊電腦的處理器或其他可程式化資料處理裝置所組成的機器來執行，而指令經由電腦或其他可程式化資料處理裝置處理以便實施流程圖及/或方塊圖中所說明之功能或操作。
這些電腦程式指令亦可被儲存在電腦可讀取媒體上，以便指示電腦或其他可程式化資料處理裝置來進行特定的功能，而這些儲存在電腦可讀取媒體上的指令構成一製成品，其內包括之指令可實施流程圖及/或方塊圖中所說明之功能或操作。
電腦程式指令亦可被載入到電腦上或其他可程式化資料處理裝置，以便於電腦或其他可程式化裝置上進行一系統操作步驟，而於該電腦或其他可程式化裝置上執行該指令時產生電腦實施程序以達成流程圖及/或方塊圖中所說明之功能或操作。
其次，請參照圖1至圖3，在圖式中顯示依據本發明各種實施例的裝置、方法及電腦程式產品可實施的架構、功能及操作之流程圖及方塊圖。因此，流程圖或方塊圖中的每個方塊可表示一模組、區段、或部分的程式碼，其包含一個或多個可執行指令，以實施指定的邏輯功能。另當注意者，某些其他的實施例中，方塊所述的功能可以不依圖中所示之順序進行。舉例來說，兩個圖示相連接的方塊事實上亦可以皆執行，或依所牽涉到的功能在某些情況下亦可以依圖示相反的順序執行。此外亦需注意者，每個方塊圖及/或流程圖的方塊，以及方塊圖及/或流程圖中方塊之組合，可藉由基於特殊目的硬體的系統來實施，或者藉由特殊目的硬體與電腦指令的組合，來執行特定的功能或操作。
<系統架構>
圖1顯示一實施例中之電腦系統100之硬體架構。電腦系統100包含電源供應器102、中央處理器104、記憶體106、硬碟108、風扇110、功率感測器112、環境溫度感測器114、以及控制器116。電腦系統100的其他基本架構與元件可參見一般的個人電腦或伺服器，例如IBM公司的System X、Blade Center或eServer伺服器，或是參考前述的美國專利US7425812。與本發明無關的細節將省略不予描述。
當電腦系統100運作時，電源供應器102主要提供直流電源給中央處理器104、記憶體106、硬碟108、及風扇110。需說明的是，中央處理器104、記憶體106、硬碟108在本說明書中又稱為目標裝置，乃因其運作時會產生大量的熱，而風扇110的用途即是冷卻這些目標裝置(target device)。在圖1所示的實施例中，僅有中央處理器104具有風扇110，但在另外未圖示的實施例中，中央處理器104、記憶體106、硬碟108可各自具有對應的風扇110，以提升散熱效率。而為了清楚說明本發明之故，以下僅利用中央處理器104與單一風扇110加以說明，但熟此技藝者，應可將中央處理器104替換為記憶體106、硬碟108或是在電腦系統100中會產生熱量而需要冷卻的其他目標裝置。
風扇110較佳為一般所稱之「智慧型風扇(Smart Fan)」，也就是其本身具有微處理器(MCU)(未圖示)，用以驅動或管理風扇的運作。舉例來說，風扇110之微處理器可接收脈寬調變(PWM)訊號，而利用脈寬調變訊號中工作週期(duty cycle)來控制風扇110的轉速。
功率感測器112一方面測量目標裝置例如中央處理器104、記憶體106、硬碟108兩端的壓差V，另一方面則提供一微小電阻(例如0.001歐姆)，以測量目標裝置的電流I，而控制器116可利用所測量到的壓降V與電流I，獲得目標裝置所消耗的功率。熟此技藝者，應可將中央處理器104替換為記憶體106、硬碟108或是在電腦系統100中會產生熱量而需要冷卻 的其他目標裝置，而測量這些裝置實際所消耗的功率供使用。另外在其他實施例中，功率感測器112可省略，而可由目標裝置(例如內建有功率感測器的中央處理器104)提供所消耗的功率資訊。
環境溫度感測器114，用來偵測電腦系統100使用環境之溫度Te(即室溫)，而較佳係設置於電腦系統100之外側。環境溫度感測器114可採用習知的數位熱感測器，而直接產生對應所感測到環境溫度的數位訊號。需注意的是，環境溫度感測器114與中央處理器104需間隔相當的距離，避免環境溫度感測器114受到中央處理器104所產生熱的影響。
控制器116包含微處理器與記憶體(未顯示)，較佳為整合在電腦系統100上主機板(未顯示)的基板管理控制器(BMC、Baseboard Management Controller)，例如可參考Maxim公司的VSC452基板管理控制器或是ServerEngines公司的SE-SM4210-P01基板管理控制器，而進一步修改或延伸。需說明的是，控制器116亦可實施為獨立的控制器。
控制器116可具有一或多個訊號埠口，以輸出控制訊號至風扇110，進而控制風扇110的運作或是進行風扇110的設定。舉例來說，控制器116可輸出不同工作週期的脈寬調變訊號給風扇110之微處理器，作為轉速控制訊號，來控制風扇110的轉速。
另一方面，特別地，控制器116可藉由韌體來實現以不同的風扇轉速的時變率的設定，例如針對加速，控制器116提供X rpm/s或是6X rpm/s(即6倍的X rpm/s)兩種時變率，針對減速，控制器116提供Y rpm/s或是4Y rpm/s(即4倍的Y rpm/s)兩種時變率。進一步的細節將敘述於後。
在本實施例中，控制器116額外具有A/D埠口(未顯示)，用來接收功率感測器112所偵測到的壓降以及電流，並據此計算出中央處理器104(或是記憶體106、或硬碟108)所消耗的功率。
選擇性地，在中央處理器104內建有功率感測器的實施例中，控制器116可直接使用中央處理器104所提供的功率資訊。
此外，在一較佳實施例中，控制器116可計算出中央處理器104所消耗的功率與其表定功率間的差值或是比值。在一替代實施例中，控制器116可直接根據中央處理器104所消耗的功率與其表定功率間的比值來輸出適當的工作週期的脈寬調變訊號給風扇110之微處理器，作為轉速控制訊號，來控制風扇110的轉速。一般來說，當比值愈高，表示中央處理器104接近滿載，也會產生較多的熱量，因此轉速應該調高。
此外，控制器116亦具有其他的A/D埠口(未顯示)，可接收環境溫度感測器114所偵測到的環境溫度或是其他類似的關於目標裝置的運作參數資訊(例如PECI(Platform Environment Control Interface)讀數中關於中央處理器的運作參數，或是TSOD(Thermal Sensor on DIMM)讀數關於記憶體的運作參數)。
以下配合圖1所示之硬體架構以及圖2之流程圖說明本發明實施例之風扇設定與控制方法。
<風扇控制流程>
步驟200：電腦系統100開機(Power Up)，控制器116係以一預定起始轉速(例如3000 rpm)來驅動風扇110。
步驟202：控制器116取得目標裝置(例如中央處理器104)的運作參數當下之值。在較佳實施例中，中央處理器104的運作參數係為當下消耗功率與其表定功率的比值。但可知本發明不限於此，中央處理器104的運作參數亦可僅為其當下消耗功率，或是當下消耗功率與表定功率的差值。在其他實施例中，運作參數可為環境溫度或是中央處理器104的溫度(可透過PECI中的讀數取得)。
步驟204：控制器116判斷該運作參數當下之值是否大於或等於一參考值。以下將透過運作參數係為中央處理器104當下消耗功率與其表定功率的比值的實施例進一步說明。在此實施例中，參考值可設定為0.7並儲存至控制器116的韌體中。但應知參考值應視實際狀況而有所調 整，且使用者可透過適當的介面調整此參考值。在此步驟中，若判斷為是，則進行到步驟206，若否則進行到步驟216。
步驟206：當消耗功率與其表定功率的比值大於或等於參考值0.7時，可視為目標裝置正在忙碌的狀態中，而會產生較多的熱，而目標裝置的熱負載也會接近其所能允許的安全界限。在此情況下，一旦控制器116判斷出風扇轉速必須加速，則加速度應當較大，以避免風扇所提供散熱能力增加的速率跟不上目標裝置熱量增加的速率，而讓目標裝置的熱負載持續累積而超出其所能允許的安全界限。又或一旦控制器116判斷出風扇轉速可以減速，則減速度應當較小，以避免風扇所提供散熱能力減少的速率超過目標裝置熱量減少的速率，而又讓目標裝置的熱負載持續累積而超出其所能允許的安全界限。因此，在針對加速有X rpm/s或是6X rpm/s兩種時變率的選擇，而針對減速有Y rpm/s或是4Y rpm/s兩種時變率的實施例中，在此步驟206中，控制器116係針對加速選擇較大的6X rpm/s，而針對減速選擇較小的Y rpm/s。之後可再回到步驟202。
步驟216：當消耗功率與其表定功率的比值小於參考值0.7時，可視為目標裝置正處於較不忙碌的狀態中，產生的熱相對較少，特別是目標裝置的熱負載距離其所能允許的安全界限還有充裕的緩衝空間。在此情況下，縱使控制器116判斷出風扇轉速必須加速，則加速度可以放緩，以節省能源並減少噪音。又或若控制器116判斷出風扇轉速可以進一步減速，則減速度應當較大，可進一步地節省能源與減少噪音。因此，在針對加速有X rpm/s或是6X rpm/s兩種時變率的選擇，而針對減速有Y rpm/s或是4Y rpm/s兩種時變率的實施例中，在此步驟216中，控制器116係針對加速選擇較小的X rpm/s，而針對減速選擇較大的4Y rpm/s。之後可再回到步驟202。
另外需說明的是，上述係說明控制器116決定風扇轉速的時變率。至於單純轉速的控制，即如何決定轉速調整的目標，可參考現有技 術中的方式，例如同屬申請人之美國專利US 8489250。或是可參考以下配合圖1所示之硬體架構以及圖3之流程圖所說明之本發明另一實施例之風扇設定與控制方法。
步驟300：電腦系統100開機(Power Up)，控制器116係以一預定起始轉速(例如3000 rpm)來驅動風扇110。
步驟302：控制器116取得目標裝置(例如中央處理器104)的當下消耗功率與其表定功率的比值。
步驟304：控制器116判斷該比值是否大於或等於一參考值。在此實施例中，參考值可設定為0.7並儲存至控制器116的韌體中。但應知參考值應視實際狀況而有所調整，且使用者可透過適當的介面調整此參考值。在此步驟中，若判斷為是，則進行到步驟306，若否則進行到步驟316。
步驟306：當消耗功率與其表定功率的比值大於或等於參考值0.7時，可視為目標裝置正在忙碌的狀態中，而會產生較多的熱，控制器116可據此判斷出風扇轉速必須從3000 rpm加速到較高的轉速例如4000 rpm。或是若當消耗功率與其表定功率的比值大於或等於另一參考值0.8時，控制器116可據此判斷出風扇轉速必須從3000 rpm加速到更高的轉速例如5000 rpm。步驟306後可再回到步驟302。
步驟316：當消耗功率與其表定功率的比值小於參考值0.7時，可視為目標裝置正處於較不忙碌的狀態中，產生的熱相對較少，控制器116可據此判斷出風扇轉速可保持在原本3000 rpm，或是從較高的轉速減速至3000 rpm。之後可再回到步驟302。
應可理解的是，圖2與圖3所示的實施例方法可一同實施，換言之，轉速調整的目標與轉速調整的時變率都可根據目標裝置消耗功率與其表定功率的比值來決定。
在不脫離本發明精神或必要特性的情況下，可以其他特定形 式來體現本發明。應將所述具體實施例各方面僅視為解說性而非限制性。因此，本發明的範疇如隨附申請專利範圍所示而非如前述說明所示。所有落在申請專利範圍之等效意義及範圍內的變更應視為落在申請專利範圍的範疇內。

Claims (14)

  1. 一種風扇控制系統，用於一電腦系統中；其中，該電腦系統包含：一風扇；以及一目標裝置；其中，該風扇控制系統包含：一控制器，用以控制該風扇的轉速，其中該控制器更根據該目標裝置之一運作參數，決定出該風扇轉速的時變率(time-variable rate)。
  2. 如請求項1之風扇控制系統，其中該控制器更根據該目標裝置之消耗功率，決定出該風扇轉速的時變率。
  3. 如請求項2之風扇控制系統，其中該控制器更根據該目標裝置之消耗功率與表定功率之比值，決定出該風扇轉速的時變率。
  4. 一種電腦系統，包含：一目標裝置；一風扇；以及如請求項1至3任一項所述之風扇控制系統。
  5. 一種控制風扇的方法，用於如請求項1至3任一項所述之風扇控制系統，該方法包含：該控制器以一第一轉速時變率控制該風扇的轉速；以及因應該目標裝置之該運作參數之一改變，該控制器改以一第二轉速時變率控制該風扇的轉速。
  6. 如請求項5之方法，其中該第一轉速時變率係為該風扇的轉速之一第一加速度，該第二轉速時變率係為該風扇的轉速之一第二加速度。
  7. 如請求項6之方法，其中該運作參數為該目標裝置之消耗功率，且因應該目標裝置之消耗功率之增加，該第二加速度大於該第一加速度。
  8. 如請求項5之方法，其中該第一轉速時變率係為該風扇的轉速之一第一減速度，該第二轉速時變率係為該風扇的轉速之一第二減速度。
  9. 如請求項8之方法，其中該運作參數為該目標裝置之消耗功率，且因應該目標裝置之消耗功率之增加，該第二減速度小於該第一減速度。
  10. 如請求項5之方法，其中因應該運作參數之該改變更包含因應該目標裝置之消耗功率與表定功率之比值改變。
  11. 如請求項10之方法，其中因應該目標裝置之消耗功率與表定功率之比值改變更包含因應該目標裝置之消耗功率與表定功率之比值超過或低於一參考值。
  12. 一種風扇控制系統，用於一電腦系統中；其中，該電腦系統包含：一風扇；以及一目標裝置；其中，該風扇控制系統包含：一控制器，用以根據該目標裝置之消耗功率與表定功率之比值，決定出該風扇的轉速。
  13. 一種電腦系統，包含：一目標裝置；一風扇；以及如請求項12所述之風扇控制系統。
  14. 一種控制風扇的方法，用於如請求項12所述之風扇控制系統，該方法包含：該控制器以一第一轉速控制該風扇的轉速；以及因應該目標裝置之消耗功率與表定功率之比值之一改變，該控制器改以一第二轉速控制該風扇的轉速。
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